Das Schwefel-Mikrobiom der Feuchtgebiete

Feuchtgebiete sind für etwa ein Drittel der weltweiten jährlichen Emission des potenten Treibhausgases Methan verantwortlich und sind dadurch für den globalen Kohlenstoffkreislauf und den Klimawandel von entscheidenderBedeutung.Schwefel-Mikroorganismen spielenin Feuchtgebieten eine wichtige, aber bislang unterbewertete Rolle beim Abbau organischen Materials und bei der Kontrolle von Methanemissionen, indem sie die Kohlenstoff-Zufuhr für methanproduzierende Archaeen einschränken. Während einige wenige Studien erste Einblicke in die Identität und ökologische Rolle sulfatreduzierender Bakterien lieferten, ist über Mikroorganismen, die an den vielen einzelnen Schritten des Schwefelkreislaufs in Feuchtgebieten beteiligt sind, bislang wenig bekannt. Ziel dieses Projektes ist es einen ersten umfassenden Überblick über das Schwefel-Mikrobiom in Feuchtgebieten zu erhalten. Ausgewählte Forschungsfragen sind: Was ist die Identität und ökologische Funktion von Mikroorganismen die Schwefelverbindungen mit intermediären Oxidationsstufen, wie z.B. Sulfit, Thiosulfat, Tetrathionat oder elementaren Schwefel, zur Energiegewinnung reduzieren oder oxidieren? Welche physiologischen Interaktionen gibt es zwischen Generalisten, die mehrere Schwefelverbindungen verschiedener Oxidationsstufen verwenden, und Spezialisten, die nur ausgewählte Schwefelverbindungen verwenden? Wie ist der Schwefelstoffwechsel an die Nutzung von Verbindungen anderer Elementzyklen wie Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen gekoppelt? Um eine Genom-Sammlung von unkultivierten Schwefel-Mikroorganismen aufzubauen und deren mutmaßlichen physiologischen Funktionen und Interaktionen zu ermitteln, werden wir zunächst auf bereits verfügbare Metagenome, Metatranskriptome und komplementäre biogeochemische Daten aus verschiedenen natürlichen Feuchtgebieten oder Experimenten in Feuchtgebieten zurückgreifen. Genombasierte physiologische Vorhersagen werden anschließend in einer Reihe von definierten Experimenten mit Boden-Mikrokosmen evaluiert. Die Kombination von modernen genom- zentrischen Omics-Ansätzen mit Experimenten zur gezielten Untersuchung spezifischer Hypothesen wird zu einem besseren Verständnis der Identität, Physiologie und Verbreitung von Schwefel- Mikroorganismen in Feuchtgebieten führen. Diese grundlegenden Erkenntnisse zur mikrobiellen Ökologie in Feuchtgebieten sind notwendig, um zu beurteilen, wie die vielseitigen mikrobiellen Gemeinschaften auf den zukünftigen Anstieg der globalen Temperatur reagieren werden und wie sich damit die Treibhausgasemissionen aus diesen empfindlichen Ökosystemen ändern werden.

Feuchtgebiete sind die größten natürlichen Quellen des Treibhausgases Methan. Wie viel Methan sie freisetzen, hängt unter anderem stark von Mikroorganismen ab, die Schwefelverbindungen umsetzen, da ein aktiver Schwefelkreislauf die Methanbildung begrenzen kann. Dennoch fehlte bis vor Kurzem ein klares Bild darüber, welche Mikroben am Schwefelkreislauf beteiligt sind, wie weit sie verbreitet sind und wie sie mit dem Methankreislauf interagieren. Dieses Projekt hat erstmals eine umfassende Vorhersage darüber ermöglicht, wie Mikroben über den gesamten Stammbaum des Lebens hinweg Schwefelverbindungen verarbeiten und recyceln und wie vielfältig diese Fähigkeiten in den unterschiedlichen Ökosystemen auf der Erde verteilt sind. Ein kuratierter Katalog aller wichtigen Gene des mikrobiellen Schwefelstoffwechsels wurde erstellt, der eine deutlich genauere Identifizierung Schwefel-metabolisierender Mikroben in Umwelt-DNA ermöglicht. Mit diesem Werkzeug wurden zehntausende Genome und tausende Metagenome aus verschiedenen Lebensräumen analysiert. Die Ergebnisse erweiterten die bekannte Vielfalt Schwefel-metabolisierender Mikroorganismen und zeigten, dass verschiedene Lebensräume jeweils eigene Wege der Schwefelverarbeitung und unterschiedliche mikrobielle Gemeinschaften beherbergen. Eine zentrale Entdeckung ist die Identifizierung zweier zuvor übersehener mikrobieller Prozesse, die unser Verständnis darüber verändern, wie Feuchtgebiete Schwefel recyceln und Methanemissionen steuern. Erstens wurde ein neuer mikrobieller Energiestoffwechsel identifiziert, MISO - microbial iron oxide respiration coupled to sulfide oxidation, bei dem Mikroorganismen Sulfid oxidieren und diese Reaktion mit der Reduktion fester Eisenminerale verknüpfen. Dieser Prozess regeneriert Sulfat unter vollständig sauerstofffreien Bedingungen und hilft, langjährige Beobachtungen zu erklären, wonach die Sulfatreduktion in Feuchtgebieten über Monate hinweg aktiv bleibt und so die Methanbildung unterdrückt. Zweitens wurde ein Mikroorganismus isoliert, der traditionell als Methanoxidierer gilt, aber ebenfalls Schwefelverbindungen respiratorisch oxidieren kann. Experimentell wurde gezeigt, dass Methanoxidation und Schwefeloxidation metabolisch kompatibel sind und gleichzeitig in einer einzelnen Zelle ablaufen können. Durch diese Entdeckung wurde eine bislang unbekannte Gruppe mixotropher Methan-/Schwefel-oxidierender Bakterien charakterisiert, die sowohl den Methanumsatz als auch das Schwefelrecycling in natürlichen und landwirtschaftlich genutzten Feuchtgebieten maßgeblich beeinflussen könnten. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass Mikroben in Feuchtgebieten wesentlich metabolisch vielseitiger und stärker miteinander vernetzt sind als bisher angenommen. Das Projekt liefert grundlegende Werkzeuge und neue Konzepte, um zu verstehen, wie die Kreisläufe von Kohlenstoff, Schwefel und Eisen mikrobiell verknüpft sind und wie Feuchtgebiete Treibhausgasemissionen in einem sich wandelnden Klima regulieren.